최근 탄소 배출 규제, 화석 연료 고갈 등이 이슈가 되고 있는데요. 이에 따라 에너지의 효율적 활용에 대한 관심도 점차 증가하고 있습니다. 또한 전기 사용료 절감 측면에서도 에너지 사용의 효율적 관리는 중요해지고 있습니다.

이번 연재에서는 전기 에너지의 생산부터 소비에 이르기까지 적용되는 대표적 에너지 관련 소프트웨어 기술들을 살펴 보도록 하겠습니다.

전력 계통, ICT와 융합하여 스마트 그리드로 진화하다

전력 계통은 전력을 생산하는 발전설비, 생산된 전력을 수송하고 분배하는 송전선로, 변전소, 배전선로 등 전력의 발생과 이용이 이루어지는 시스템을 의미하는데요. 지금까지 전력계통은 전력의 생산과 소비가 동시에 이루어져 왔습니다. 다시 말해, 전력 공급량1 이 소비하는 전력량과 정확히 일치해야 계통의 안정성을 보장할 수 있는 시스템이었지요.

2011년 9월 15일에 발생했던 순환정전 사태를 기억하시나요? 추석 이후 전력 사용량이 줄어들 것이라 예측하고 발전기 점검을 수행하던 중, 기온이 상승하면서 전력 수요가 급증해 발생한 전력 공급 부족 사태였습니다.

전력 공급량이 전력 소비량보다 적어지게 될 경우 전력 계통의 전압 및 주파수(utility frequency)가 떨어지게 되는데요. 이는 국내 기준인 60Hz에 맞추어 설계된 전자제품들의 오동작 및 고장 원인으로 작용할 수 있습니다.

더구나 극심한 전력 공급 부족이 발생하는 경우에는 발전기의 동작이 정지될 수도 있는데요. 이렇게 한 번 정지된 발전기를 재가동 하기 위해서는 상당한 시간이 소요 되기도 합니다.

순환 정전은 이러한 대정전(Blackout) 사태를 방지하기 위해 전기를 소비하는 일부 지역들을 차례로 단전시킴으로써 전력망 전체의 고장을 방지하기 위한 조치인 것이지요.

앞에서 말한 순환정전 사태를 계기로 향후 발생할 수 있는 전력 수급 불균형을 해결하고 에너지를 효율적으로 사용하려는 연구가 활발히 진행되었는데요. 그 중 대표적인 사례가 바로 ICT(Information and Communication Technology)와 전력 계통을 융합하여 효율적으로 관리하고자 하는 스마트 그리드 (Smart Grid) 입니다.

지금까지의 전력 계통은 발전소에서 생산된 전기를 소비하는 수용가에서 사용하기만 하는 단방향성의 시스템이었는데요. 스마트 그리드에서는 AMI(Advanced Metering Infrastructure)를 통해 전력 공급자와 소비자간의 데이터 교환을 가능하도록 해서 양방향성의 시스템을 구현합니다.

스마트 그리드에서 전력 공급자는 실시간으로 전력 사용량을 집계할 수 있고, 수용가에서는 전력 사용량에 따른 요금정보 등을 실시간으로 파악할 수 있도록 합니다.

또한, 스마트 그리드는 자동 수요 관리시스템(Automated Demand Response)을 통해 자동화된 수요 관리를 가능하도록 하는데요. 수용가 측에서 에너지 저장 시스템(Energy Storage System)이나 전기차(Electric Vehicle)에 탑재된 배터리 등을 활용해 저렴한 가격에 판매되는 전기를 저장해 두었다가 전력 요금이 비싼 시간에 전력을 재판매 할 수 있도록 하는 기반을 제공합니다.

스마트 그리드는 신재생 발전의 효율성을 제고하기도 하는데요. 태양광, 풍력 등의 신재생 발전은 날씨나 풍량 등에 영향을 받기 때문에 생산되는 전력량이 일정하지 못하다는 단점을 가지고 있습니다. 게다가 여러 위치에 분산 설치되는 특성 때문에 지금까지의 전력망에 신재생 발전원을 연동하는 것은 매우 어려운 일이었습니다.

하지만 스마트 그리드로 운전되는 전력 계통에서는 신재생 발전원과 계통 제어 센터 등이 실시간으로 데이터를 교환하는데요. 필요에 따라 자동으로 신재생 발전원의 연계 및 이탈이 가능하도록 합니다.

또한 분산 설치되어 관리가 어려웠던 단점은 발전원 근처의 수용가에 전력을 직접 공급하도록 함으로써 송배전 효율을 향상시키는 장점으로 적용되기도 합니다.

이처럼 전력 계통에 소프트웨어로 구현되는 ICT 기술들이 접목되면서 기존에는 불가능했던 기능들이 구현 가능해지고 있는데요. 이러한 현상은 전력 계통에만 일어나고 있는 것이 아니고, 우리가 항상 생활하는 건물에도 일어나고 있습니다.

빌딩, BEMS로 에너지 낭비를 막다

지금부터는 빌딩에 소프트웨어가 접목되어 빌딩 내 에너지 효율을 향상 시키고 있는 사례를 살펴 볼까요.

소프트웨어로 구현되는 에너지 관리 시스템이 도입되지 않은 건물에서는 관리 인원이 직접 냉•난방기의 온도 설정 변경, 일부 장비의 일시 가동 정지, 조도 조절, 외기 유입 등의 업무를 수행하여 에너지를 절감했는데요.

이러한 에너지 절감 방법은 다수의 인력 운영이 필요하고, 에너지 절감량을 파악하기 어렵다는 단점이 있습니다. 또한, 에너지가 낭비되는 지점을 정확하게 파악하는 것이 어렵기 때문에 효율적 에너지 절감을 달성하기 어려운 한계가 존재합니다.

이러한 한계들을 극복하고 빌딩 내 에너지 사용을 효율적으로 관리하기 위해 빌딩 에너지관리시스템(Building Energy Management System, 이하 BEMS)를 도입하였는데요. BEMS는 건물에서 사용 중인 에너지의 사용량을 실시간으로 파악할 수 있도록 합니다.

이러한 에너지 사용 현황의 가시성 확보만으로도 에너지의 낭비 지점을 확인할 수 있는데요. 이것으로 에너지 절감 방안 도출이 가능하기도 합니다.

또한, BEMS는 센서나 설비로부터 수집되는 여러 데이터에 따른 자동 제어를 수행할 수 있도록 지원하는데요. 이러한 자동제어 기능을 활용함으로써 관리 인원 효율화 및 정확한 조건(온도, 습도, 조도, 전력사용량 등)에 따른 효율적 에너지 관리가 가능하도록 합니다.

BEMS가 수행하는 대표적 자동 제어의 기능으로 두 가지를 볼 수 있는데요. 먼저 온도와 습도를 기준으로 계산하는 외기 열함량(엔탈피, enthalpy)이 건물 내부의 열함량보다 낮을 경우, 외기를 사용하여 건물 내부의 냉방을 수행하는 엔탈피 제어가 있습니다.

다른 하나는 건물 내부의 쾌적 조건을 만족할 경우 열원 장비의 가동을 일시적 또는 주기적으로 정지하는 절전운전제어 등의 기능이 있는데요. 이러한 기능들이 적용 되어 빌딩의 에너지 사용을 최적화합니다.

공장, FEMS로 에너지 효율을 개선하다

빌딩과 마찬가지로 공장에 적용되는 에너지 관리 시스템이 있는데요. 일반적으로 FEMS(Factory Energy Management System)로 불립니다.

많은 종류의 설비들이 운용되고 여러 종류의 에너지(전기, 열, 가스 등)가 사용되는 공장의 에너지 관리를 위해 도입되는 시스템입니다. BEMS와 유사하게 에너지 사용 데이터의 가시성, 자동 제어 및 분석/보고 기능 등을 제공합니다.

FEMS가 관리하는 영역은 전기 에너지에 국한되진 않지만, 현재까지는 전기 요금 절감을 위한 전력 사용 효율화 측면에서 많은 기능들이 구현되어 왔습니다.

FEMS가 수행하는 에너지 절감 기능이 산업용 전기 요금 체계와 관련되어 있는 부분이 있기 때문에, FEMS가 가지고 있는 전력 측면의 효율성을 살펴보기 전에 산업용 전기요금이 어떻게 부과되는지 간단히 살펴 보도록 하겠습니다.

산업용 전기 요금은(가정용이나 일반용 등의 요금도 유사합니다) 기본요금과 사용요금(전력량 요금)으로 구분 되는데요. 가정용 요금에 비하여 산업용 전기 요금은 기본요금이 차지하는 요금의 비중이 상당히 높은 편입니다.

산업용 전기의 기본요금은 검침 당월을 포함한 직전 12개월중 12월분, 1월분, 2월분, 7월분, 8월분, 9월분 및 당월 분의 최대수요전력 중 가장 큰 최대수요전력을 요금적용전력으로 하여 기본요금을 산정하는데요.2 이때, 최대수요전력은 15분 단위로 측정됩니다.

전력량 요금은 선택 옵션에 따라 달라질 수 있지만, 보통 최대 부하, 중간 부하, 경 부하 시간대로 나누어 각각 별도의 요금을 부과하는데요.3 최대 부하 시간대의 요금이 가장 비싸고 경 부하 시간대의 요금이 가장 저렴하게 책정되는 형태입니다.

FEMS는 전력 사용 요금을 절감하기 위하여 피크컷(Peak-cut), 로드 쉬프트(Load-shift) 기능을 제공하는데요. Peak-cut 기능은 전력 수요의 피크(peak)가 발생할 것으로 예측되었을 때, ESS 등에 저장되어 있는 에너지를 사용하도록 합니다. 또 필수적이지 않은 부하의 사용을 제한함으로써 피크를 저감하여 전기 기본요금을 절감할 수 있도록 하는 방법입니다.

Load-shift 기능은 ESS를 활용하여 경 부하 시간대에 저렴한 전기를 저장하였다가 최대 부하 시간대에 저장한 전기를 사용합니다. 또한 최대 부하 시간대에 반드시 수행하지 않아도 되는 작업들을 중간 부하나 경 부하 시간대로 옮겨 작업하도록 일정을 생성하고 제어함으로써 전기 사용요금(전력량 요금)을 절감할 수 있도록 하는 기능입니다.

FEMS가 도입되지 않은 공장에서는 실시간 전력 사용량 데이터 수집을 통한 자동 제어가 어려웠기 때문에 최대전력수요 발생 예측 및 그에 따른 자동 제어를 실현하기가 쉽지 않았는데요. 공장이라는 물리적 공간에 소프트웨어 기술이 접목됨으로써 점차 지능적인 공장으로 변해가고 있는 것입니다.

이처럼 발전, 송배전, 소비(수용가)로 이루어지던 지금까지의 전력망에 정보통신기술이 접목되면서 전력의 비효율적 생산, 소비, 저장 및 수급 불안정의 한계를 극복하게 되었습니다.

또한 다양한 가능성을 가진 스마트 그리드로 변모하고 있고, 빌딩과 공장 등의 영역에서도 에너지 관리를 위한 소프트웨어 시스템들이 도입됨으로써 기존에 비효율적으로 활용되던 에너지들을 효율적으로 활용할 수 있도록 하고 있습니다.

에너지 운영의 효율성을 제고할 수 있도록 관리하는 시스템을 EMS(Energy Management System)라고 하는데요. 다음 연재에서는 다양한 EMS의 종류와 그 기능들에 대해서 상세히 살펴 보도록 하겠습니다.

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글 | 스마트그린솔루션연구소

[‘B2B플랫폼, IoT에서 에너지까지’ 연재 현황 및 향후 계획]

●1편 B2B 소프트웨어 플랫폼, 신사업을 이끌다 : http://blog.lgcns.com/826

●2편 정보 기술과 제조 산업이 이루는 4차 산업 혁명, Industry 4.0(Smart Factory): http://blog.lgcns.com/850

●3편 연결하고 통합하면 또 다른 가치가 보인다, Smart Green Platform: http://blog.lgcns.com/877

●4편 에너지 효율적 활용의 한계와 소프트웨어를 통한 극복방안 : http://blog.lgcns.com/909

●5편 효율적 에너지 활용의 지휘자, Energy Management System: http://blog.lgcns.com/935

●6편 전력 자급자족(自給自足), 마이크로 그리드 : http://blog.lgcns.com/957